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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsmotoren, die eine vorgemischte Ladung aus Brennstoff und Luft zünden, und sie bezieht sich insbesondere auf eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung zur Anwendung in einem solchen Verbrennungsmotor.
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Hintergrund
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Die Verbrennungsmotortechnologie entwickelt sich immer weiter fort. Verbesserungen bei der Zuverlässigkeit, der Emissionsqualität und dem Brennstoffwirkungsgrad werden nahezu täglich entdeckt. In den letzten Jahrzehnten ist speziell auf Technologien acht gegeben worden, die die Niveaus von gewissen Emissionen im Abgas aus Verbrennungsmotoren verringern können. Eine Klasse von E-missionsverbindungen von speziellem Interesse in der Technik ist als „NOx“ bekannt und weist verschiedene Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen auf. Verschiedene Schemata sind mit den Jahren für den Betrieb von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden, sodass die relativen Mengen von NOx im Motorabgas verringert werden. Ein Ansatz, der sich als vielversprechend zeigt, sieht das Betreiben des Motors mit relativ magerer Mischung vor, sodass die Brennstoffmenge in der Mischung, die im Zylinder verbrannt wird, geringer ist, als eine stöchiometrische Brennstoffmenge.
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Eine spezielle Art der Motortechnologie, die zu einem Magerverbrennungsbetrieb fähig ist, die in den letzten Jahren viel Achtung gewonnen hat, ist in der Technik unter verschiedenen Namen bekannt, wie beispielsweise homogene Ladung oder Verdichtung- bzw. Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung oder „HCCI“ (HCCI = homogeneous charge compression ignition, homogene verdichtungsgezündete Ladung). Beim HCCI-Betrieb wird Brennstoff typischerweise in einen Motorzylinder relativ früh im Motorzyklus geliefert, sodass vergleichsweise mehr Zeit für die Vermischung des Brennstoffes und der Luft vor der Zündung und Verbrennung verfügbar ist. Sobald sie innerhalb des Zylinders ist, wird die Brennstoff-Luft-Mischung komprimiert, bis eine Selbstzündung beginnt. Die vergleichsweise größere Zeitdauer, die verfügbar ist, damit Brennstoff und Luft sich vermischen, tendiert dazu, eine schnellere Wärmeabgabe zur Folge zu haben als bei herkömmlichen Motoren. Bei herkömmlichen verdichtungsgezündeten Motoren ist die Wärmeabgaberate teilweise durch die Rate der Brennstoffeinspritzung gesteuert, während in funkengezündeten Motoren die Wärmeabgabe teilweise durch eine letztendliche turbulente Flammen- bzw. Flammfrontausbreitung über den Brennraum gesteuert wird. Der HCCI-Betrieb hat keine dieser natürlichen Steuerungen.
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Während ein Betrieb mit homogener Ladung ein starkes Potential zur NOx-Reduktion gezeigt hat, gibt es immer noch Raum für Verbesserungen. Im Zusammenhang mit verdichtungsgezündeten Motoren insbesondere gibt es eine Grenze dahingehend, wie mager die Brennstoff-Luft-Mischung sein kann, während sie immer noch zuverlässig selbst zündet. Zylinderdrücke, die ausreichen, um eine Selbstzündung von mageren Ladungen einzuleiten, können bei herkömmlichen Komponenten nicht praktisch ausführbar sein. Darüber hinaus können viele HCCI-Motoren nur über einen Teil ihres theoretischen Lastbereichs arbeiten, und zwar zumindest teilweise aufgrund der relativ hohen Druckspitzen, die aus der schnellen, ziemlich gleichförmigen Zündung der Brennstoff-Luft-Mischung im gesamten Zylinder resultieren können. Insbesondere können die vergleichsweise größeren Mengen von verbrennendem Brennstoff, die nötig sind, um größere Lasten aufzunehmen, einfach mehr Druck erzeugen, als die Motorkomponenten widerstehen können.
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Eine weitere Herausforderung für Konstrukteure von HCCI-Motoren bezieht sich auf die Schwierigkeit der Selbstzündung einer Brennstoff-Luft-Mischung zu einem erwünschten Zeitpunkt. HCCI-Motoren mangelt es an einem natürlichen Steuermechanismus für die Zündungszeitsteuerung, wie beispielsweise die Funkenzeitsteuerung und die Brennstoffeinspritz-Zeitsteuerung von funkengezündeten Motoren und herkömmlichen verdichtungsgezündeten Motoren. Darüber hinaus ist der Zündungszeitpunkt bei HCCI tendenziell empfindlich für Drehzahl- und Lastveränderungen, für Verbrennungscharakteristiken von vorherigen Motorzyklen und die spezifische Brennstoffzusammensetzung und die Zersetzungseigenschaften. Insofern als das Potential der HCCI-Strategien für verbesserte Emissionsqualität darauf beruht, eine magere Mischung zu einem vorgeschriebenen Zeitpunkt zu zünden, wie beispielsweise auf oder nahe dem oberen Totpunkt, muss die Technologie noch einige ihrer Versprechen erfüllen.
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Ein Versuch, den Betrieb von mager verbrennenden Motoren zu verbessern, ist aus
US 6,595,181 B2 bekannt.
US 6,595,181 B2 offenbart, ein Motorbetriebschema zu verwenden, bei dem ein Impulsstrahl einer reagierenden Brennstoffmischung aus einer Vorkammer sich mit einer stark gelösten vorgemischten Brennstoff-Luft-Ladung in einer Hauptkammer vermischt. Nachdem die Ladung teilweise verbrannt worden ist, zünden schnell expandierende Verbrennungsgase die restliche stark verdünnte Mischung durch Verdichtungszündung. Anders gesagt, bei
US 6,595,181 B2 scheint es eine Anfangsflamme aus dem Impulsstrahl zu geben, die danach ausreichend Brennstoff zündet, um den Druck im Zylinder auf ein ausreichendes Niveau zur Kompressions- bzw. Verdichtungszündung anzuheben. Während in
US 6,595,181 B2 Mittel vorgesehen sind, die Anwendungen in gewissen Systemen haben können, hat die Konstruktion verschiedene Nachteile. Beispielsweise kann nur ein Teil der Ladung die Vorteile erreichen, die für den HCCI-Betrieb typisch sind. In dem Ausmaß, das irgendein tatsächlicher HCCI-Betrieb bei
US 6,595,181 B2 möglich ist, muss weiterhin der Motor bei höheren Drehzahlen und Belastungen zu einem herkömmlichen Verbrennungsvorgang umschalten.
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Zudem zeigt
DE 35 16 951 A1 einen Hybridverbrennungskolbenmotor mit Übergangsverbrennungsmodi von einem fremdgezündeten Schichtlademodus bei niedriger Leistung zu einer fremdgezündeten Kompressionszündung bei höheren Leistungslasten und einem streng kompressionsgezündeten Modus bei maximalen Leistungslasten .
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DE 26 23 677 A1 offenbart ein Verbrennungssystem mit einer Vorrichtung zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile wenigstens einen Anteil Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von einem Kohlenwasserstoffkraftstoff, Alkoholen, Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und reinen Kohlenstoffkraftstoffen gebildet wird.
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DE 198 54 776 A1 offenbart ein Zündverfahren für einen Mehrzylinder-Hubkolbengasmotor, bei dem zur Einleitung eines Arbeitstaktes ein in dem jeweils zu befeuernden Zylinderraum enthaltenes, komprimiertes, im Wesentlichen homogenes, nicht selbstzündendes Brenngas-Luft-Gemisch gezündet wird durch direktes Einblasen einer kleinen Brenngasmenge als Zündgas auf eine heiße Oberfläche, wobei der Einblasbeginn vorgebbar in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung über eine Motorsteuerung gesteuert wird.
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DE 44 19 429 A1 zeigt ein Verfahren zur Optimierung des Betriebes eines gemischverdichtenden, aufgeladenen Gasmotors mit Hauptbrennraum und einer oder mehreren mit diesem verbundenen Vorkammern.
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JP 2000-8 960 A zeigt einen Verbrennungsmotor mit Hilfskammer zur Verringerung von Klopfen mittels Optimierung eines Kompressionsverhältnisses zwischen Haupt- und Hilfskammer.
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Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme oder Nachteile zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils des Motors der 1;
- 3a ist eine konzeptionelle Veranschaulichung einer Temperaturdifferenz durch eine Flamme in einem funkengezündeten Motor; und
- 3b ist eine konzeptionelle Veranschaulichung einer Temperaturdifferenz durch eine Flamme in einem Motor gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit Bezug auf 1 ist dort eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Motors 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Motor 10 weist ein Gehäuse 12 mit mindestens einem Zylinder 18 auf, in dem beispielsweise eine Vielzahl von Zylindern angeordnet ist. Ein Kolben 14 ist bewegbar in jedem Zylinder 18 angeordnet und ist mit einer Kurbelwelle 16 über eine Stange bzw. Pleuelstange 15 verbunden. Ein erstes Gasaustauschventil 22 und ein zweites Gasaustauschventil 24 sind typischerweise in dem Gehäuse 12 angeordnet und sind betreibbar, um Auslass und Einlass von jedem jeweiligen Zylinder 18 in herkömmlicher Weise zu steuern. Durch Steuerung der Öffnungs-/Verschlusszeiten der Ventile 22 und 24 kann das Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnis in jedem Zylinder 18 ebenfalls variiert werden, wie in der Technik wohlbekannt.
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Eine Brennstoffversorgung 40 ist mit dem Gehäuse 12 über eine primäre Brennstoffversorgungsleitung 41 verbunden. Eine Brennstoffreformationsvorrichtung bzw. Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 50, die hier beschrieben wird, kann auch mit der Brennstoffversorgung 40 und dem Motorgehäuse 12 über eine sekundäre Brennstoffversorgungsleitung 51 verbunden sein. Eine Kompressions- bzw. Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 wird typischerweise mit jedem Zylinder 18 gekoppelt sein, um eine Verdichtungszündung darin einzuleiten. Eine elektronische Steuervorrichtung 30 kann in steuernder Verbindung mit jeder Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 über eine Verbindungsleitung (mehrere Verbindungsleitungen) 31 verbunden sein und kann auch in steuernder Verbindung mit den Ventilen 22 und 24 und anderen Komponenten des Motors 10 in wohl bekannter Weise sein. Der Motor 10 wird ein Verdichtungszündungsmotor sein, wie beispielsweise ein Motor für gasförmigen Brennstoff oder ein Dieselmotor, und kann ein Motor mit Brennstoffeinspritzung sein, wie ein direkt einspritzender oder über einen Anschluss einspritzender Motor.
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Auch mit Bezug auf 2 ist dort ein Teil des Motors 10 gezeigt, der eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 genauer aufweist. In 2 ist die Brennstoffversorgung 40 derart gezeigt, dass sie mit dem Zylinder 18 über eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 44 verbunden ist, die teilweise darin angeordnet ist, obwohl bemerkt sei, dass Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen werden, die nicht die veranschaulichte Brennstoffeinspritzungskonstruktion verwenden. Jede Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 wird typischerweise einen Körper 21 aufweisen, der eine Vorkammer 34 definiert. Ein Brennstoffeinlass 33 wird typischerweise im Körper 21 angeordnet sein, sodass Brennstoff von der Reformations- bzw. Aufbereitungsvorrichtung 50 zur Vorkammer 34 geliefert werden kann. Der Brennstoff, der über den Einlass 33 von der Reformationsvorrichtung 50 geliefert wird, kann ein reformierter bzw. aufbereiteter Kohlenwasserstoffbrennstoff sein, wie beispielsweise Syngas, und wird typischerweise eine vergleichsweise reaktivere Brennstoffart sein als der Brennstoff in der Brennstoffversorgung 40. Somit kann die Reformationsvorrichtung 50 ein poröser Brenner sein, um Syngas aus Erdgas oder Petroleumdestillatbrennstoff in einer in der Technik wohlbekannten Weise zu erzeugen. Andere Arten und/oder Quellen oder Leitungsschemata für Brennstoff können verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Anstatt einen Brennstoff aus der Hauptmotorbrennstoffversorgung zu reformieren, kann beispielsweise ein getrennter Brennstofftank für den vergleichsweise reaktiveren Brennstoff verwendet werden, der zur Vorrichtung 20 geliefert wird.
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Ein Auslass 36 verbindet strömungsmittelmäßig die Vorkammer 34 mit dem Zylinder 18 über einen Halsteil 35 mit zusammenlaufender Geometrie in einer Richtung des Auslasses 36. Es sei bemerkt, dass der Halsteil 35 schematisch in 2 veranschaulicht ist und eine Vielzahl von Geometrien haben könnte, wie beispielsweise eine abrupte Verringerung des Durchmessers in der Nähe des Auslasses 36. Die Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung weist die beschriebene Halsteilgeometrie auf, um die Erzeugung einer Schock- bzw. Stoßfront in einer Region in der Nähe des Auslasses 36 zu erleichtern, die die Verdichtungszündung einer Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 einleitet, wie hier beschrieben.
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Die Verbrennung des zu der Vorkammer 34 gelieferten Brennstoffes kann über Funkenerzeugungsmittel 32 mit einem Funkenspalt in der Vorkammer 34 eingeleitet werden, die eine mehrfach Funkenspaltvorrichtung sein können, die sich in die Vorkammer 34 erstreckt, um eine selektive Zündung zu gestatten, wie von der elektronischen Steuervorrichtung 30 vorgegeben. Entsprechend kann die Zeitsteuerung der Verbrennung in der Vorkammer 34 und folglich die Erzeugung der Schock- bzw. Stoßfront aus dem Auslass 36 zum Zylinder 18 präzise zeitgesteuert werden. Die verbrennungseinleitende Stoßfront wird die Verdichtungszündung der Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 beginnend am Auslass 36 und kaskadenartig danach weiterlaufend durch die gesamte Ladung einleiten, wenn die Stoßwelle nach außen fortschreitet.
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Die vorliegende Offenbarung sieht weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vor. Das Verfahren kann den Schritt aufweisen, eine Mischung aus Brennstoff und Luft im Motor
10 auf einen Punkt zu komprimieren, der geringer ist als eine Verdichtungszündungsschwelle. Die Kompression bzw. Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung kann in herkömmlicher Weise über den Kolben
14 stattfinden, und das tatsächliche Ausmaß der Kompression kann beispielsweise durch Einstellung der Position von einem oder beiden Ventilen
22 und
24 in bekannter Weise gesteuert werden. Beispielsweise kann eine bekannte variable Einlass- oder Auslassventilbetätigungsvorrichtung und ein Verfahren verwendet werden, um das Kompressions- bzw. Verdichtungsniveau der Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder
18 zu steuern. Beispielsweise wird ein geeignetes variables Ventilzeitsteuerschema im
US-Patent Nr. 6,769,392 von Angelino u.a. gelehrt, welches den Titel „Variable Valve Timing In A Homogeneous Charge Compression Ignition Engine“ trägt. Insbesondere kann der Motor
10 auch mindestens eine elektrohydraulische Hilfsbetätigungsvorrichtung
25 aufweisen, die mit mindestens einem der Ventile
22 und
24 gekoppelt ist und die fähig ist, mechanisch mit dem Ventil in Eingriff zu kommen und seine Position zumindest teilweise unabhängig von einer Nocken- und/oder Kolbenposition zu steuern. Die Betätigungsvorrichtung
25 kann wiederum betriebsmäßig mit der elektronischen Steuervorrichtung
30 gekoppelt sein. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass das Verdichtungsverhältnis der Brennstoff-Luft-Mischung basierend auf gewissen Motorbetriebsfaktoren variiert werden kann, wie beispielsweise basierend auf der Last. Beispielsweise wird in einem unteren Lastteil eines Lastbereiches des Motors
10 die Kompression bzw. Verdichtung der Mischung aus Brennstoff und Luft typischerweise vergleichsweise näher an einer Selbstzündungsschwelle sein als in einem höheren Lastteil dieses Bereiches. Der Fachmann wird mit der vergleichsweise größeren Leichtigkeit der Kompressionszündung von Brennstoff-Luft-Mischungen vertraut sein, wenn man bei vergleichsweise höheren Lasten arbeitet.
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Das Verfahren kann weiter den Schritt aufweisen, die Zündung der Mischung zumindest teilweise dadurch einzuleiten, dass die Mischung aus Brennstoff und Luft einer Schock- bzw. Stoßfront unterworfen wird, die beispielsweise durch die Kompressionszündungseinleitungsvorrichtung 20 erzeugt wird. Während die funkengezündete Verbrennung eines Brennstoffes in der Vorkammer 34 als eine praktische Strategie zur Einrichtung in Betracht gezogen wird, wird der Fachmann erkennen, dass andere Mittel zur Erzeugung einer Stoßfront möglich sind. Anstatt funkengezündeter Verbrennung über Funkenerzeugungsmittel 32 kann die Verbrennung in der Vorkammer 34 über eine Kompressionszündung eingeleitet werden, beispielsweise unter Verwendung eines getrennten Kompressions- bzw. Verdichtungskolbens in der Vorkammer für diesen Zweck. Die Stoßfront von der Vorkammer 34 wird auch typischerweise teilweise dadurch erzeugt, dass eine Konvergenz von sich schnell ausdehnenden Verbrennungsprodukten über die Geometrie des Halsteils 35 gezwungen wird. Es sei jedoch bemerkt, dass die vorliegende Offenbarung auch Verbrennungsstrategien ohne Vorkammer zur Erzeugung einer Stoßfront in Betracht zieht, wie beispielsweise über eine andere Abgabe von komprimiertem Gas.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Mit Bezug auf die Figuren im Allgemeinen wird die elektronische Steuervorrichtung 30, wenn es wünschenswert ist, die Kompressions- bzw. Verdichtungszündung im Zylinder 18 einzuleiten, ein elektrisches Potential am Funkenspalt der Funkenerzeugungsmittel 32 in herkömmlicher Weise erzeugen. Brennstoff, wie beispielsweise Syngas-Brennstoff bzw. synthetisches Gas, welches zur Vorkammer 34 über den Brennstoffeinlass 33 geliefert wird, kann somit in der Vorkammer 34 gezündet werden. Der primäre Brennstoff wird typischerweise in den Zylinder 18 eingespritzt oder in anderer Weise dorthin geliefert, und zwar vor der Zündung des sekundären Brennstoffes in der Vorkammer 18. Allgemein gesagt, wird die Verdichtung der Mischung aus Brennstoff und Luft im Zylinder 18 zu einem Punkt stattfinden, der geringer ist als dessen Selbstzündungsschwelle. Die Verdichtung kann jedoch größer als das sein, was als für eine stabile Verbrennung in einem funkengezündeten Motor als akzeptabel angesehen werden würde. Anders gesagt, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht dadurch eingeschränkt ist, kann der relative Verdichtungsgrad bzw. das Verdichtungsverhältnis der Brennstoff-Luft-Mischung größer als ein Verdichtungsniveau sein, welches in einem funkengezündeten Motor verwendet wird, was typischerweise von einer Vermeidung des Motorklopfens abhängt.
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Es wird in Betracht gezogen, dass in vielen Fällen die Funkenzündung in der Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 zu einem ausgewählten Zeitpunkt stattfinden wird, wie beispielsweise wenn der Kolben 14 nahe einer oberen Totpunktposition ist. In anderen Fällen könnte jedoch die Zündung der Brennstoffladung in der Vorkammer 34 so ausgewählt werden, dass sie stattfindet, bevor der Kolben 14 in einem gegebenen Motorzyklus auf einer oberen Totpunktposition ist, oder danach. Die Funkenzündung der Brennstoffladung in der Vorkammer 34 wird eine expandierende Tasche von Verbrennungsprodukten in der Vorkammer 34 erzeugen. Die expandierenden Verbrennungsprodukte werden auf die druckfokussierende konvergierende Geometrie des Halsteils 35 treffen, wenn sie schnell zum Auslass 36 hin laufen, wodurch schließlich eine Stoßfront ungefähr an der Schnittstelle des Auslasses 36 zum Zylinder 18 erzeugt wird.
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Die in der Nähe des Auslasses 36 erzeugte Stoßfront wird schnell nach außen durch die Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 voranschreiten. Das Voranschreiten der Stoßfront kann derart angesehen werden, dass sie eine Druckwelle aufweist, die lokale Verdichtungszündungszonen der Brennstoff-Luft-Mischung in einem sich nach außen erstreckenden Muster vom Auslass 36 einleitet. Die Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung durch die Stoßfront wird ausreichend sein, um lokal eine Verdichtungszündung davon einzuleiten. Allgemein, jedoch nicht einschränkend ausgedrückt, wird die Steigerung des Druckes aufgrund der Stoßfront schneller geschehen als die Druckzunahmen aufgrund der Kolbenbewegung während des Motorbetriebs.
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Wie hier beschrieben, kann die Brennstoff-Luft-Mischung, die zum Zylinder 18 geliefert wird, über den Kolben 14 zu einem Punkt komprimiert werden, der niedriger als die Selbstzündungsschwelle ist. Die zusätzliche Verdichtung durch die Stoßfront wird weiter die Brennstoff-Luft-Mischung zumindest auf einen Punkt komprimieren bzw. verdichten, der ausreicht, um die Verdichtungszündung einzuleiten. Die zusätzliche Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung, die durch die Stoßfront im Zylinder 18 vorgesehen wird, gestattet den Betrieb des Motors 10 mit einer magereren Brennstoff-Luft-Mischung als dies bei vielen früheren Konstruktionen möglich war.
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Bekannte Konstruktionen sind durch die Fähigkeit von herkömmlichen Motoren, eine magere Brennstoff-Luft-Mischung auf einen Punkt zu komprimieren, der ausreicht um eine Verdichtungszündung einzuleiten, begrenzt gewesen, da vergleichsweise niedrigere Brennstoff-Luft-Verhältnisse typischerweise vergleichsweise größere Verdichtungsniveaus erfordern, um die Mischung selbst zu zünden. Ein vergleichsweise magerer Betrieb kann eine Verringerung von gewissen Verunreinigungen zur Folge haben, insbesondere von NOx, und er ist somit in vielen Betriebsumgebungen wünschenswert, ist jedoch in der Praxis bis jetzt schwierig einzuführen gewesen.
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Ein weiteres Problem, welches HCCI-Systeme geplagt hat, bezieht sich auf einen Mangel eines natürlichen Steuermechanismus zur genauen Zeitsteuerung der Verdichtungszündung. Funkengezündete Motoren verwenden einen herkömmlichen Funken, der im Zylinder erzeugt wird, wenn die Zündung erwünscht ist. Traditionelle verdichtungsgezündete Motoren komprimieren typischerweise Luft auf eine Temperatur und einen Druck über dem Selbstzündungspunkt, dann steuern sie den Verbrennungszeitpunkt durch Einspritzung von Brennstoff in die heiße komprimierte Luft zu einem ausgewählten Zeitpunkt. Anders gesagt, der Brennstoff zündet daraufhin, dass er die Einspritzvorrichtungsspitze verlässt. Die vorliegende Offenbarung sieht Mittel zur Zündung der mageren Brennstoff-Luft-Mischung über Verdichtungszündung zu einem ausgewählten Zeitpunkt während des Motorzyklus vor, welches zumindest teilweise unabhängig von der Kolbenposition ist, wobei sowohl die Genauigkeit bei der Zeitsteuerung als auch Probleme mit ausreichender Verdichtung von früheren Systemen überwunden werden. Im Hinblick auf diese Betriebsprinzipien kann gesagt werden, dass die vorliegende Offenbarung ein Ausführungsbeispiel vorsieht, welches ein „HCCA-Motor“ bzw. Motor mit homogener selbstgezündeter Ladung (HCCA = homogeneous charge controlled autoigriition) ist. Im Zusammenhang mit einem HCCI-Motor mit Brennstoffeinspritzung wird beispielsweise die vorliegende Offenbarung eine Brennstoffeinspritzung relativ früh in einem gegebenen Motorzyklus gestatten, was viel Zeit vorsieht, damit Brennstoff und Luft sich vermischen, und zwar gefolgt durch eine Verdichtungszündung zu einem ausgewählten Zeitpunkt bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, zu diesem Zeitpunkt oder nach diesem Zeitpunkt, und zwar gesteuert mit der Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20.
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Die Temperatur der Brennstoff-Luft-Mischung bei der Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses in einem herkömmlichen HCCI-Zyklus liegt per Definition bei der Temperatur der spontanen Zündung. Im Gegensatz dazu liegt die Temperatur der Brennstoff-Luft-Mischung bei der Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses in einem herkömmlichen funkengezündeten Zyklus (SI-Zyklus, SI = spark ignited) mehrere hundert Grad entfernt von der Temperatur einer spontanen Zündung, um Motorklopfen zu verhindern. Die Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses in einem gesteuerten Selbstzündungszyklus mit homogener Ladung (HCCA-Zyklus) gemäß der vorliegenden Offenbarung wird jedoch typischerweise in einem Temperaturbereich auftreten, der zwischen der SI- und der HCCI-Einleitung der Hauptwärmeabgabetemperaturen ist. Wie hier beschrieben, kann in einem System gemäß der vorliegenden Offenbarung der relative Grad der Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung für unterschiedliche Lastbedingungen des Motors 10 variiert werden. Für vergleichsweise höhere Lasten kann entsprechend die Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses bei Temperaturen auftreten, die vergleichsweise weiter entfernt von der Temperatur der spontanen Zündung ist, während sie für vergleichsweise niedrigere Lasten vergleichsweise näher an der Temperatur der spontanen Zündung sein muss.
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Nun mit Bezug auf 3a ist dort eine konzeptionelle Veranschaulichung einer Flammenkontur Z1 gezeigt, die schematisch die Temperaturdifferenz in einer Flamme in einem Zylinder eines funkengezündeten Motors während der Verbrennung zeigt. In 3a bezeichnet T eine Linie, welche die relative Temperatur im Zylinder darstellt. R identifiziert eine unverbrannte Zone der Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder. Die Zone W ist eine Vorheizzone innerhalb des Zylinders, wobei die Temperatur aufgrund der Verbrennung von Brennstoff und Luft in benachbarten Zonen und/oder aufgrund von zunehmendem Zylinderdruck zunimmt. Die Zone U stellt die tatsächliche Reaktionszone dar, worin der Brennstoff und die Luft aktiv verbrennen, während die Zone V die Leuchtzone darstellt, wo eine restliche Verbrennung stattfindet. Die Zone S ist eine verbrannte Zone, in der die Verbrennung der Brennstoff-Luft-Mischung im Wesentlichen vollendet ist. Der Bereich Q1 stellt die Temperaturdifferenz der Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder zwischen einem Zündungspunkt, dem Beginn der Zone U in einer Richtung von links nach rechts, und der Temperatur des unverbrannten Brennstoffes und der Luft in der Zone R dar.
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Auch mit Bezug auf 3b ist dort eine konzeptionelle Veranschaulichung einer Flammenkontur Z2 gezeigt, die schematisch die Temperaturdifferenz in einer Flamme während der Verbrennung in einem Zylinder eines HCCA-Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 3b stellen Buchstaben ähnlich jenen, die in 3a verwendet wurden, entsprechende Zylinder/Flammen-Zonen dar. Wie gezeigt, ist der Teil der Kurve Z1 innerhalb der Zone R der 3a auf einer vergleichsweise niedrigeren Temperatur für unverbrannten Brennstoff und Luft als der Teil der Kurve Z2 in der entsprechenden Zone R der 3b.
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Die Temperaturdifferenz zwischen der Mischung aus unverbranntem Brennstoff und Luft und der brennenden Brennstoff-Luft-Mischung ist für einen HCCA-Motor vergleichsweise kleiner, vorausgesetzt, dass die Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses bei einer Zylindertemperatur auftritt, die vergleichsweise näher an einer Temperatur der spontanen Zündung ist als bei einem funkengezündeten Motor. Die Temperatur der unverbrannten Brennstoff-Luft-Mischung in der Zone R de 3a wird typischerweise vergleichsweise größer sein als jene der Zone R der 3b, und zwar weil die Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung vergleichsweise größer beim HCCA-Motor ist. Die Verdichtung von Brennstoff und Luft in einem Zylinder in einem vergleichsweise höheren Grad hat erwiesenermaßen das Ergebnis einer vergleichsweise größeren Flammengeschwindigkeit und wiederum Flammenstabilität gezeigt. Eine vergleichsweise magere Brennstoff-Luft-Mischung, die relativ stark vor der Zündung verdichtet worden ist, kann somit die Flammengeschwindigkeit und -stabilität einer vergleichsweise fetteren Mischung haben. Die vorliegende Offenbarung sieht somit eine verbesserte Flammen- bzw. Flammfrontstabilität in einer mageren Brennstoff-Luft-Mischung vor, weiter das Potential von thermischer Effizienz und Emissionen im HCCI-Betrieb und eine leichte Steuerung des Zündungszeitpunktes.
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Die vorliegende Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und soll nicht derart angesehen werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden könnten, ohne vom Kern und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Während beispielsweise ein großer Teil der vorangegangenen Beschreibung eine Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 beschreibt, werden Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen, in denen Abgas wieder in den Zylinder 18 rückzirkuliert wird, um eine Lösung für eine vergleichsweise magere Mischung vorzusehen. Weiterhin könnte die vorliegende Offenbarung auf andere Motorsysteme als jene angewandt werden, die hier als eine Hilfs- oder Zusatzverdichtungszündungseinleitungsvorrichtung beschrieben werden, was einem Motor gestattet, in einem herkömmlichen verdichtungsgezündeten Betriebszustand, in einem HCCA-Betriebszustand oder sogar möglicherweise in einem gemischten Betriebszustand zu arbeiten, der sowohl HCCA als auch Diffusionsverbrennung im gleichen Motorzyklus verwendet. Während in Betracht gezogen wird, dass die vorliegende Offenbarung gut für Motoren mit gasförmigem Brennstoff geeignet sein wird, können andere Motorbauarten, die Diesel- und Benzinmotoren aufweisen, in ihren Umfang fallen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der Untersuchung der beigefügten Zeichnungsfiguren und der beigefügten Ansprüche offensichtlich werden.
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